​高温超导原理（高温超导终于被理解）

高温超导原理（高温超导终于被理解）

一项新的原子级实验几乎确定了铜酸盐晶体中强超导形式的起源，证实了一个已有 35 年历史的理论。

几十年来，一个晶体家族以其令人费解的超导能力——也就是说，在比其他材料高得多的温度下携带电流——让物理学家感到困惑。

现在，一项酝酿多年的实验直接在其中一个晶体的原子尺度上可视化了超导性，最终揭示了几乎所有人都满意的现象的原因。电子似乎以一种几乎与神秘本身一样古老的古老理论首次提出的方式将彼此推入无摩擦的流动中。

“这个证据非常漂亮和直接，”哈佛大学物理学家Subir Sachdev说，他建立了被称为铜酸盐的晶体理论，并没有参与实验。

“我已经研究这个问题 25 年了，我希望我已经解决了它，”牛津大学新实验的领导者JC Séamus Davis说。“我非常激动。”

新的测量结果与基于该理论的预测相匹配，该理论将铜酸盐超导归因于一种称为超交换的量子现象。“我对定量协议感到惊讶，”加拿大舍布鲁克大学的物理学家、去年做出这一预测的小组负责人安德烈-玛丽·特伦布莱 ( André-Marie Tremblay ) 说。

该研究推动了该领域的长期雄心：采用铜酸盐超导并加强其潜在机制，以设计能够在更高温度下超导电力的改变世界的材料。室温超导性将为日常电子产品、电力线等带来完美的效率，尽管目标仍然很遥远。

“如果这类理论是正确的，”戴维斯在谈到超交换理论时说，“应该可以描述在不同位置具有不同原子的合成材料”，其临界温度更高。

两种胶水

自 1911 年首次观察到超导性以来，物理学家一直在与超导作斗争。荷兰科学家 Heike Kamerlingh Onnes 及其合作者将水银线冷却至约 4 开尔文（即绝对零以上 4 度），并惊讶地看着电阻骤降至零. 电子在与原子碰撞时巧妙地穿过导线而不会产生热量——这就是电阻的起源。戴维斯说，要弄清楚如何做，需要“一生的努力”。

基于 1950 年代中期的关键实验见解，约翰·巴丁、莱昂·库珀和约翰·罗伯特·施里弗于 1957 年发表了关于这种传统形式的超导性的诺贝尔奖获得者理论。今天众所周知的“BCS 理论”认为，振动在运动通过成排的原子将电子“粘合”在一起。当带负电的电子在原子之间飞行时，它会将带正电的原子核拉向它并引发涟漪。那涟漪吸引了第二个电子。这两个电子克服了它们强烈的电斥力，形成了“库珀对”。

“这真是大自然的诡计，”德国卡尔斯鲁厄理工学院的物理学家Jörg Schmalian说。

当电子耦合时，进一步的量子诡计使超导性不可避免。通常，电子不能重叠，但库珀对遵循不同的量子力学规则；它们就像光粒子一样，任何数量的光粒子都可以堆积在针头上。许多库珀对聚集在一起并合并成一个单一的量子力学状态，即一种“超流体”，它会忘记它穿过的原子。

BCS 理论还解释了为什么汞和大多数其他金属元素在冷却到接近绝对零时会超导，但在几开尔文以上时停止。原子波纹是最薄弱的胶水。调高热量，它会摇晃原子并消除晶格振动。

然后在 1986 年，IBM 研究人员 Georg Bednorz 和 Alex Müller 在铜酸盐中偶然发现了一种更强的电子胶：由散布在其他元素层之间的铜片和氧组成的晶体。在他们观察到 30 开尔文的铜酸盐超导后，研究人员很快发现了其他超导超过 100开尔文的材料，然后又超过了130 开尔文。

这一突破引发了广泛的努力，以了解导致这种“高温”超导性的更坚韧的胶水。也许电子聚集在一起形成了斑驳的、波纹状的电荷浓度。或者它们可能通过自旋相互作用，这是电子的一种内在特性，可以将其定向到特定方向，就像量子大小的磁铁一样。

已故的美国诺贝尔奖获得者、凝聚态物理学全能传奇人物菲利普·安德森（Philip Anderson）在高温超导被发现几个月后提出了一个理论。他认为，胶水的核心是一种先前描述的称为超交换的量子现象——一种由电子跳跃能力产生的力。当电子可以在多个位置之间跳跃时，它们在任何时刻的位置都变得不确定，而它们的动量则变得精确定义。更尖锐的动量可能是更低的动量，因此是粒子自然寻找的更低能量状态。

结果是电子寻找可以跳跃的情况。例如，当它的邻居指向上方时，一个电子更喜欢指向下方，因为这种区别允许两个电子在相同的原子之间跳跃。通过这种方式，超交换在某些材料中建立了规律的上下上下电子自旋模式。它还推动电子保持一定距离。（太远了，他们不能跳。）安德森认为正是这种有效的吸引力可以形成强大的库珀对。

实验家长期以来一直在努力测试像安德森这样的理论，因为他们可以测量的材料特性，如反射率或电阻，只提供了数万亿电子而不是电子对的集体行为的粗略总结。

戴维斯说：“凝聚态物理的任何传统技术都没有被设计用来解决这样的问题。”

超级实验

戴维斯是一名爱尔兰物理学家，在牛津、康奈尔大学、科克大学和德累斯顿国际马克斯普朗克量子材料化学与物理研究所设有实验室，他逐渐开发出在原子水平上检查铜酸盐的工具。早期的实验通过冷却材料直到达到超导开始的临界温度来测量材料的超导强度——温度越高表明胶水越强。但在过去的十年里，戴维斯的团队已经改进了一种方法来刺激单个原子周围的胶水。

他们修改了一种称为扫描隧道显微镜的成熟技术，该技术将一根针拖过一个表面，测量在两者之间跳跃的电子电流。通过将针的正常金属尖端换成超导尖端并将其扫过铜酸盐，他们测量了电子对而不是个体的电流。这让他们能够绘制出围绕每个原子的库珀对的密度——这是一种直接测量超导性的方法。他们于 2016 年在《自然》杂志上发表了第一张库珀对的图像。

同年，中国物理学家的一项实验提供了支持安德森超交换理论的重要证据：他们表明，电子越容易在给定铜酸盐中的铜和氧原子之间跳跃，铜酸盐的临界温度就越高（因此它的胶水越强)。戴维斯和他的同事试图将这两种方法结合在一个单一的铜酸盐晶体中，以更明确地揭示胶水的性质。

他说，“结合”时刻出现在 2020 年关于 Zoom 的一次小组会议上。研究人员意识到，一种名为铋锶钙铜氧化物（BSCCO，或简称“bisko”）的铜酸盐具有使他们梦想中的实验成为可能的特殊特性。在 BSCCO 中，铜和氧原子层被周围的原子片挤压成波浪状。这会改变某些原子之间的距离，进而影响跳跃所需的能量。这种变化让理论家们头疼，他们喜欢整洁的格子，但它给了实验家们所需要的东西：一个样本中的一系列跳跃能量。

他们使用带有金属尖端的传统扫描显微镜将电子粘在一些原子上并从其他原子中取出它们，从而绘制出铜酸盐上的跳跃能量。然后他们交换了一个铜酸盐尖端来测量每个原子周围库珀对的密度。

对自然波浪状BSCCO晶体的逐个原子扫描指出了铜酸盐中超导性的起源。

两张地图排成一列。在电子难以跳跃的地方，超导性很弱。在跳跃容易的地方，超导性很强。跳跃能量和库珀对密度之间的关系与 Tremblay 及其同事从 2021 年开始的复杂数值预测非常吻合，他们认为这种关系应该遵循安德森的理论。

Superexchange 强力胶

戴维斯本月发表在《美国国家科学院院刊》上的关于跳跃能量与超导强度相关的发现强烈暗示超交换是能够实现高温超导的超级粘合剂。

普林斯顿大学的物理学家阿里·亚兹达尼说：“这是一项很好的工作，因为它带来了一种新技术，进一步证明了这个想法是有道理的。”他开发了类似的技术来研究铜酸盐和其他与戴维斯平行的奇异超导实例。 ' 团体。

但 Yazdani 和其他研究人员警告说，由于某些其他原因，胶水强度和跳跃的难易度仍有可能同步变化，而且该领域正陷入经典的相关等于因果陷阱。对于 Yazdani 来说，证明因果关系的真正方法将是利用超级交换来设计一些华丽的新超导体。

“如果它完成了，让我们增加T c，”他说，指的是临界温度。

超级交换并不是一个新想法，因此许多研究人员已经考虑过如何强化它，也许是通过进一步挤压铜和氧晶格或尝试其他元素对。“已经有预测了，”Tremblay 说。

当然，绘制原子蓝图和设计满足研究人员需求的材料并不容易。此外，不能保证即使是定制的铜酸盐也能达到比我们已知的铜酸盐高得多的临界温度。就像原子振动看起来一样，超级交换的强度可能有一个坚硬的天花板。一些研究人员正在研究完全不同、甚至可能更强的胶水的候选者。其他人则利用超凡脱俗的压力来支撑传统的原子振动。

但戴维斯的结果可以激发和集中化学家和材料科学家的努力，他们旨在将铜酸盐超导体提升到更高的高度。

“设计材料的人的创造力是无限的，”Schmalian 说。“我们越相信一种机制是正确的，就越自然地进一步投资于这个机制。”

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